加强与削弱复合型节点力学性能研究

王安安 ，董新元 （河北建筑工程学院，河北 张家口 075000）

0 前言

钢框架腹板开圆孔节点不仅可以实现塑性铰的转移，减缓梁柱焊接节点处的应力，而且腹板开圆孔处还有利于设备安装管线的穿插，降低层高[1-2]。但由于钢梁在腹板开孔处削弱过多，导致构件承载力不足，变形过大，故需要对腹板开孔部位进行补强。我国规范[3]针对腹板开圆孔节点提出了在腹板开孔处设置套管、环形加劲肋、环向板等补强措施。杨应华、吴言亮等[4]对钢梁腹板开圆孔处设置钢套管节点进行了有限元分析，结果表明，该节点抗震性能优越，既能满足塑性铰从梁柱焊缝处转移到腹板开孔范围内，又能满足节点承载力的要求。张小林、刘二浩[5]等提出了钢套管加强梁腹板开圆孔梁柱端板连接的削弱型节点形式，并利用数值模拟软件进行了抗震性能分析，得出了此种节点峰值承载力较高，梁柱焊缝处的应力分布较为均匀，同时塑性铰实现了转移，节点受力较为合理。廖文远、周东华[6]等对腹板开孔节点提出在孔洞处设置人字形加劲肋、圆弧形加劲肋，并运用数值分析软件ANSYS分析了其抗震性能，结果表明，人字形加劲肋、圆弧形加劲肋较传统的补强方式延性稍差，但节点承载力提高显著，腹板开孔处的变形减小，满足了实际工程的需要。

可见，通过对削弱部位进行加强，可以提高节点承载力的同时，还可以降低节点处的等效塑性应力，本文针对腹板开圆孔节点的不足，提出了一种新型补强方式:槽形钢板补强，通过在钢梁开孔腹板两侧设置槽钢，一方面使削弱部位得到了加强，另一方面有不影响设备管线的穿插，如图1所示，并用有限元软件ANSYS模拟分析其力学性能，为广大设计人员提供了参考依据。

图1 槽钢加强腹板开圆孔复合型节点

1 有限元分析

1.1 分析模型创建

本文创建了两个节点模型进行有限元分析，分别为RBW-base、RBW-U。分析模型中梁、柱、柱腹板加劲肋、槽钢的截面尺寸见表1。

1.2 材料属性及模型网格划分

分析模型均采用Q235钢材，钢材的本构模型采用三线性模型，并考虑钢材强化段的影响，钢材的弹性模量E=2×105N/mm2，屈服强度为 f=294MPa，屈服应变为εy=0.0013，极限强度fu=415MPa,极限应变为 εu=0.22，泊松比v=0.29。模型有限元网格划分采用solid92单元，并在节点及腹板开孔区域网格划分加密，网格划分尺寸为20mm，其余部分采用稀疏网格，网格尺寸为50mm，减小了计算所需的时间。

1.3 约束条件及加载方式

柱上下端为铰接，故施加X、Y、Z三个方向的自由度，梁柱采用“绑定接触”来模拟焊接。加载方式采用位移加载，单调加载时，位移加载至120mm，共分40个荷载步加载完成，每个荷载步增量为3mm。循环加载时，以层间位移角控制加载，具体加载制度参考美国抗震规范[7]。y

2 单调荷载下的性能分析

2.1 承载力及延性系数

表2为模型 RBW-base、RBW-U的承载力及延性系数。从中可以看出，模型 RBW-U的承载力为 387.41kN,较RBW-base模型提高了88%，屈服位移、极限位移分别提高了 67.6%、138%，延性系数提高了42.86%，增幅效果较为明显，说明在腹板削弱部位设置槽钢，节点的力学性能得到了提升。

2.2 荷载-位移曲线

分析模型参数 表1

承载力及延性系数 表2

图2 各模型荷载-位移曲线分布对比

图2为各模型荷载-位移曲线分布对比，从图中可以得出RBW-U模型的峰值承载力、屈服位移、极限位移较基本模型均大幅度提高，当进入弹塑性阶段时，RBW-base荷载-位移曲线出现了明显的突降，刚度退化现象严重，而RBW-U模型在塑性阶段比较平稳，刚度退化速率小，说明加强与削弱复合型节点的刚度较基本模型增加。

2.3 破坏模式

图3为各模型加载至0.04rad时的破坏模式，从图中可以看出，当加载至0.04rad时，RBW-base模型在腹板开孔区域由于截面削弱过多，抗剪、抗弯承载力不足，导致腹板发生了严重变形，试件的刚度退化较大，试件破坏，而RBW-U模型加载至0.04rad时，在腹板开孔位置几乎无屈曲变形，孔洞形状变化较小，说明设置槽钢增加了削弱部位的刚度，延迟了构件破坏所需的时间，增加了节点的延性。

图3 各试件破坏模式

3 循环荷载下的性能分析

3.1 滞回曲线

图4为各模型的滞回曲线，从图中可以看出，各模型滞回曲线都较为饱满，无明显的捏拢显现，但模型RBW-U的滞回曲线所包围的面积显著大于基本模型RBW-base，并且RBW-U的滞回曲线呈纺锤形，无明显迟滞现象，而RBW-base模型滞回曲线呈梭型，加载至后期由于腹板发生了严重的变形，导致构件刚度退化严重，故滞回曲线发生了严重的滞后现象，在地震作用下耗散的能量较小，耗能性能显著低于RBW-U模型。

3.2 骨架曲线

图5为各试件骨架曲线分布对比，从图中可以看出，模型RBW-U的承载力、屈服位移、极限位移均较基本模型有较大提高，呈线性分布；在弹塑性阶段，RBW-U模型的骨架曲线较基本模型RBW-Bbase几乎呈平直线分布，下降速率较缓，说明试件刚度退化现象得到了控制。

图4 各模型滞回曲线

图5 各试件骨架曲线对比分析

4 结论

通过运用有限元软件ANSYS对两个模型的承载力、位移延性系数、构件破坏特征、骨架曲线、滞回曲线等进行了对比分析，可以得出如下结论。